基于Trio控制器的吸收式造波機運動控制系統設計

張小樂，呼英俊

(天津科技大學機械工程學院，天津 300222)

造波機是在實驗水池中模擬波浪的設備，可人工控制產生不同類型的波浪，模擬實際海浪對船舶或各種建筑物的作用．但因為實驗水池的長度有限，造波機對模型或池壁的反射波會再一次反射，即波浪的二次反射，它會嚴重影響實驗結果．而吸收式造波機在產生擬需波浪的同時，能吸收實驗區域內的二次反射波，其原理是在推波板式造波的基礎上，通過采集、計算波浪數據，給推波板一個附加的二次位移，以消除反射波浪撞擊推波板形成的二次反射波，從而更真實地模擬海浪的運動[1]．

現有吸收式造波機多采用工控機與控制卡的方式進行運動控制[2]．這種方式提前設定工控機和控制卡的相關程序，硬件組成、連接及操作都比較簡單．其缺點在于集成化過高，擴展性、互換性不好，在不同造波環境、不同造波條件下難以通用；各種處理運動控制和參數采集的板卡全由工控機控制，還需進行模數轉換，延緩了控制命令傳輸和采集信號處理的時間，控制時效和精度不夠理想．

隨著計算機控制技術的發展，運動控制也逐漸網絡化、數字化．網絡化使控制更靈活、開放，數字化使控制更簡單、精確．采用PC和運動控制器相結合的控制方式，用PC作為信息處理平臺，可發揮PC的信息處理快、開放的程序語言及可在線網絡檢測和修復等優點；用控制器實現期望造波運動，可充分利用運動控制器中的運動算法和進行精確的軌跡控制．這種方式的信息處理速度快、運動控制精度高、開放擴展程度好、系統可靠性高，更適合吸收式造波[3–4]．

本文針對吸收式造波，選擇支持網絡化、數字化的運動控制器，在程序設計中利用C語言應用廣泛、人機交互方便和 Fortran語言在數據處理上的優勢，并調用運動控制器的運動算法，使得造波運動程序設計、參數設置和數據分析都更簡單，較好地實現了吸收式造波．

1 運動控制系統的基本工作原理

吸收式造波機運動控制系統的工作原理見圖 1．

根據期望的波高周期數據，由上位機程序計算推波板的位移和時間控制信號，運動控制器接收后將其轉換為運動方向和速度的控制信號，伺服驅動器再將其轉換為脈沖信號驅動伺服電機運動，經執行裝置帶動推波板作相應的往復運動，推動水面產生波浪．在推波板前固定距離處設置 2個波高傳感器采集推波板前的波高信號．運動控制器根據反饋信號計算設定值與實測值之間的差值，并以此調整下一時刻控制推波板的位移，使之生成與反射波反相位的波，以消除二次反射波，實現吸收式造波；另一方面，波高信號反饋回PC，與期望波譜的數據對比，完成統計分析．

在吸收式造波機工作過程中，最重要的是要實時采集推波板前波高數據，迅速計算得出下一位移量并確保執行裝置及時響應，這就對運動控制器的性能及信號傳輸速度提出了較高的要求．

圖1 運動控制系統的工作原理Fig.1 Block diagram of the motion control system

2 運動控制器及其通信

2.1 Trio控制器

運動控制器選用 Trio Motion公司的 Trio MC224型數字獨立運動控制器，其融合了最新的控制理論和技術，具有多種控制和通信方式、多任務編程、可擴展性豐富等優點．它采用 32位 120～150,MHz的 DSP微處理器，計算速度快，控制精度高，滿足吸收式造波對控制器運算速度的要求；包含直線運動、梯形運動、曲線運動等多種軸運動軌跡控制模式，可完全脫離 PC獨立進行控制，在 PC出現通信故障等問題時，依然可以進行吸收式造波的控制．控制器采用模塊化設計，可連接擴展多種具有軸控制功能的子板，實現對多個伺服單元的控制，在大港池、多方向條件下造波也完全適用．控制器與 PC間通信可采用總線或網絡方式，如 PROFIBUS、DeviceNet、EtherNet/IP、CANopen 等方式；控制器與伺服驅動器通信可采用總線或數字式，如CANopen、EtherNet/IP、SERCOS等方式，多種通信接口使其應用擴展更廣泛．

2.2 EtherNet/IP通信

Trio控制器與PC之間選用EtherNet/IP通信協議，它是一種工業以太網的應用協議．相比于其他控制系統中常見的總線結構，工業以太網的標準更規范、更通用，在遠距離傳輸、組件成本、軟硬件資源等方面也更有優勢；而且可與普通網絡通連，利用網絡的在線監測，遠程控制也很方便，已成為現場設備控制網絡的發展趨勢．

EtherNet/IP協議采用Producer/Consumer通信模式，它不同于其他協議從源到點的指定模式，而是規定所有節點都可在同一時間讀取來自同一個源的數據[5]．這種模式的效率更高，實時性更好，適用于在造波現場由PC向控制器發送信號指令．

Trio控制器面板配置有相關接口，通過網線即可實現連接；PC中基于Windows平臺建立EtherNet/IP網絡也較簡單，為組網和數據交換提供了很大便利．

2.3 SERCOS接口

在吸收式造波中，Trio控制器與伺服驅動器之間的通信最重要，要求快速、穩定、誤差最小地傳輸調整信號．而現有系統中多常用模擬接口，受噪聲影響較大、傳輸速度緩慢、精度不高、線路連接復雜，不能滿足吸收式造波高速、穩定的要求．基于數字化控制的設想，選用SERCOS數字接口．SERCOS接口是數字控制接口的唯一國際標準，具有較高精度的實時性和開放性，可保證快速建立數字連接、傳送參數、精確控制和智能診斷的實現．

SERCOS光纖網絡結構如圖2所示，其最主要的特點就是用光纖取代傳統多軸控制系統中的普通電纜，是全數字式的網絡通信方式，不會受到其他電氣系統的干擾，對噪聲的免疫能力很強，無信號漂移，傳輸精度高．其協議也規定了數據傳輸格式，對網絡通信帶寬的需求相對較低，通信速率大于 4,MB/s，通信周期小于 1,ms[6]．相比傳統的模擬技術，SERCOS有效提高了工程速度，減少工程調試及維護時間，運行速度更快，精確度更高．

圖2 SERCOS光纖網絡結構Fig.2 SERCOS fiber-optic network structure

Trio控制器自帶 SERCOS通信子板模塊，選用的驅動器配置有 SERCOS接口，可以方便地用提供的線纜進行連接，實現SERCOS數字通信．

3 程序設計

在程序設計上采用混合編程調用的方法，采用C語言和 Fortran語言進行上位機程序設計，實現包括基本造波及吸收式造波的控制功能、系統的初始化設定、推波板的回零定位、目標波譜及造波參數的設定、數據統計分析及報警保護功能[7]．

控制執行機構由Trio控制器自帶Trio Basic語言編寫運動控制程序程實現．編程通過 Motion Perfect平臺進行，然后下載到控制器中存儲和運行．Trio控制器提供ActiveX功能，可以根據設備的需要在計算機中用高級程序語言進行二次開發；提供 OCX Component功能，可以自動檢測控制器內的程序并與計算機中程序比較；計算機中有 VB、VC、C++等語言編寫的程序時，可直接調用其運動函數，復制到Trio處理器中進行運算處理和控制，方便進行操作．

4 實 驗

利用本文設計的控制系統，在天津水運工程科學研究所的實驗水槽中進行測試．水槽長 35,m，寬1,m，高 1.2,m，最大水深為 0.8,m．實驗時，將模擬的波譜或波高數據由主程序輸入，計算獲得控制推波板運動所需的數字控制信號，經由運動控制程序，驅動機械裝置帶動推波板運動．推波板往復運動的位移決定波高，往復運動的頻率決定波浪周期．板前設置2個波高傳感器，運用兩點法進行入反射分離，分別求得入、反射波高與周期[8]．部分實驗數據見表1．對實驗數據的評價參考 JTJ/T234—2001《波浪模型試驗規程》，模擬規則波的平均波高和周期的允許偏差為±5%．結合表 1數據可以看出：非吸收式造波的波高數據受反射波的影響，誤差很大；而吸收式造波的實驗結果誤差小，滿足要求；本文設計的吸收式造波機的實驗誤差最小，精度最高．

表1 各類型造波機造波實驗數據Tab.1 Experimental wave data of various types of wave maker

另外，程序可統計畫出實驗的波面過程圖．其目標波高 0.4,m、周期 1.4,s的實驗波面過程如圖 3所示．由圖 3可以看出：實驗過程中，非吸收式造波的波面波動較大，在很長的實驗時間范圍內都難獲得穩定的波高；現有吸收式造波機相比非吸收式造波，在波高穩定度上有明顯的進步，進行吸收造波之后的波高變得比較穩定，但由于控制系統不夠精確，與期望的波高還是有一定差距；而本文設計的吸收式造波機的波面最穩定，波高偏差最小．

圖3 各類型造波機造波實驗波面過程圖Fig.3 Experimental wavefront process map of various types of wave maker

5 結 語

本文設計了吸收式造波機的運動控制系統，針對現有造波機的信號傳輸處理不及時、控制精度不理想問題進行改進．上位機程序設計采用混合編程的方式，對執行機構控制調用 Trio Basic語言，更好地實現了對推波板的運動控制．相比現有裝置，信號傳輸與處理完全采用數字信號，使控制系統響應更快，運行更穩定．實驗證明設計達到了預期效果．

［1］ 王先濤. 吸收式造波機理論[D]. 大連：大連理工大學，2002.

［2］ 張亞群. 造波機的控制及其實現[D]. 武漢：武漢理工大學，2007.

［3］ 班華，李長友. 運動控制系統[M]，北京：電子工業出版社，2012.

［4］ 郗志剛，周宏甫. 運動控制器的發展與現狀[J]. 電氣傳動自動化，2005(3)：12–16.

［5］ 鄧昌建. 工業以太網通訊協議和接口技術研究[D]. 成都：電子科技大學，2005.

［6］ 李琰，徐殿國，戚佳金，等. SERCOS接口應用技術研究[J]. 伺服控制，2006(5)：26-28.

［7］ 張瑞波，王收軍，朱國良. 基于VC6.0和FORTRAN語言的造波機控制軟件的研究與開發[J]. 制造業自動化，2008(8)：49-52.

［8］ 張瑞波. 港工波浪模擬設備的研究[D]. 天津：天津理工大學，2008.